书名：代码本色：用编程模拟自然系统
作者：Daniel Shiffman
译者：周晗彬
ISBN：978-7-115-36947-5
第9章目录

9.13　生态系统模拟

首先，我们要建立基因型和表现型。

1、基因型和表现型

• bloop的觅食能力和两个变量有关：大小和速度。
  bloop的尺寸越大，觅食能力越强，因为越大的bloop越容易和食物相交；bloop的速度越快，觅食能力也越强，因为移动速度越快，单位时间内走过的面积越大，接触的食物也越多。

• 由于尺寸和速度成反比（大尺寸的bloop对象运动快，小尺寸的bloop对象运动慢），因此我们只需要用单个数字表示基因型。

  
  

class DNA {
    float[] genes;
    DNA() { 我们只需要一个变量，但这里却使用了数组，这是出于对后续扩展的考虑
    genes = new float[1];
    for (int i = 0; i < genes.length; i++) {
        genes[i] = random(0,1);
    }
}

• 表现型就是bloop本身。bloop类中有一个DNA对象，通过这个对象获取自身的尺寸和速度。

class Bloop {
    PVector location;
    float health;
    DNA dna; bloop对象有DNA
    float r;
    float maxspeed;
    Bloop(DNA dna_) {
        location = new PVector(width/2,height/2);
        health = 200;
        dna = dna_;
        maxspeed = map(dna.genes[0], 0, 1, 15, 0); 将DNA中的基因映射为最大速度和半径
        r = map(dna.genes[0], 0, 1, 0, 50);
    }

• maxspeed的值被映射到15~0，也就说，如果基因值为0，bloop的运动速度就等于15；如果基因值为1，bloop的运动速度就等于0。

2、选择和繁殖

• 有了基因型和表现型之后，我们需要设计一种选择策略，从种群中选出一些bloop对象作为繁殖父本。
  之前提到：bloop的生存时间越久，繁殖的机会越大。因此，适应度就是bloop的生存时间。
• 这里有一种实现方式：两个bloop对象一旦接触，它们就会产生一个新的bloop对象。bloop生存时间越久，它们接触对方的几率越大，繁殖机会也越大。（这还会影响进化结果，因为除了食物因素，bloop接触对方的能力也变成了繁殖因素。）
• 更简单的实现方式是“无性”繁殖，也就是说，bloop不需要配偶就能繁殖后代。它可以在任意时间复制自己，副本由完全相同的基因组成。我们可以将该选择算法描述为：
  在任意时刻，bloop都有1%的繁殖机会。
• 这样一来，bloop生存时间越久，它至少繁殖1个后代的概率也越高。这和买彩票的原理是一样的：买彩票的次数越多，中奖的概率也越大。
• 为了实现这个选择算法，我们可以在bloop类中加入一个函数。
  函数的功能是：在每一帧选择一个随机数，如果随机数小于0.01（1%），就产生新的bloop对象。

Bloop reproduce() { 该函数返回子代bloop对象
    if (random(1) < 0.01) { 有1%的概率执行其中的代码，也就是有1%的繁殖机会
    // 创建新的bloop对象
    }
}

• bloop对象如何繁殖？在之前的例子中，繁殖过程需要调用DNA类的crossover()函数，并根据新的DNA创建对象。
  由于本例子代由单个父本生成，因此只需调用对象的copy()函数。

Bloop reproduce() {
    if (random(1) < 0.0005) {
        DNA childDNA = dna.copy(); 创建DNA的副本
        childDNA.mutate(0.01); 1%的突变率
        return new Bloop(location, childDNA); 在相同的位置，用新的DNA创建新的bloop对象
    } else {
        return null; 如果不繁殖新的bloop对象，就返回NULL
    }
}

• 我们将繁殖概率从1%降到0.5%，这个值会带来很大的影响。繁殖概率越高，系统就会越快进入个体数量饱和状态；繁殖概率如果过低，系统中的生物就会很快灭绝。
• DNA类的copy()函数很容易实现，因为Processing提供了一个arrayCopy()函数，该函数用于复制数组内容。

class DNA {
    DNA copy() { copy()函数代替了之前的crossover()函数
        float[] newgenes = new float[genes.length]; 用相同的长度创建新数组，复制内容
        arraycopy(genes,newgenes);
        return new DNA(newgenes);
    }

• 实现完选择和繁殖的特性后，我们就可以终结这个World类了，它的主要功能就是管理bloop对象和食物列表。

3、示例

示例代码9-5　进化的生态系统(程序略)

• 尺寸中等的对象，运动速度足够快，寻找食物的能力最强，因此存活时间也最久。